Dinsdag 17/05/2022

Een bol is een kubus én een Nobelprijs

De Nobelprijs voor de Natuurkunde gaat dit jaar naar drie Britten, alledrie aan het werk in de VS. David Thouless, Duncan Haldane en Michael Kosterlitz zijn de ontdekkers van exotische materiaaltoestanden. De prijs wordt toegekend voor de theorie van zogeheten topologische materialen, die een rol kunnen spelen in totaal nieuwe vormen van elektronica.

Dat heeft het Nobelcomité dinsdagochtend in Stockholm bekendgemaakt. Thouless (82) is verbonden aan de universiteit van Washington in Seattle. Hij krijgt de helft van de Nobelprijs, voor werk in de jaren 80 dat de wiskundige basis voor de zogeheten topologische revolutie in de vastestof-fysica legde.

Haldane (65) - een Brit die werkt op Princeton University - en Kosterlitz (74) van Brown University voorspelden met de nieuwe theorie totaal nieuwe effecten, bijvoorbeeld in de manier waarop materialen supergeleidend worden. Zij delen de andere helft. De jongste jaren beginnen topologische effecten een grote rol te spelen in het denken over nieuwe vormen van elektronica. De afgelopen tien, vijftien jaar zijn verbindingen ontdekt die bijvoorbeeld stromen alleen over hun oppervlak geleiden. Normale geleiders gebruiken daarvoor hun hele bulk.

"Met name Thauless heeft de natuurkunde in de jaren 80 opnieuw leren nadenken over eigenschappen van vaste stoffen", zegt hoogleraar Teun Klapwijk. "Natuurkundigen redeneerden altijd in termen van het materiaal en vonden de vorm en randen lastig en oninteressant. De topologie laat zien dat juist aan de randen interessante en onverwachte eigenschappen kunnen ontstaan."

Bol is gelijk aan een kubus

Topologie is de wiskundige theorie van vormen, waarbij alleen de cruciale eigenschappen als oppervlakken en gaten tellen. Een bol is daarin gelijk aan een kubus: beide objecten met alleen een oppervlak. Een donut met een gat is op die manier identiek aan een theekopje. Een van de cruciale inzichten in het vak is dat de ene topologische vorm niet zonder geweld in een andere is om te zetten. Een materie-eigenschap met topologische kenmerken is daardoor vaak extreem stabiel.

Thouless gebruikte in de jaren 80 deze erg wiskundige manier van kijken om te verklaren waarom in sommige materialen elektrische stromen niet geleidelijk toenemen, maar in sprongen. Voor de ontdekking van dat zogenoemde kwantum-Hall-effect werd in 1980 een eerste Nobelprijs toegekend.

"Eigenlijk is dit alweer een Nobelprijs voor het kwantum-Hall-effect", zegt kwantumfysicus Leo Kouwenhoven. "Dit zijn de drie theoretische grondleggers, die de topologie in de natuurkunde van vaste stoffen hebben ingevoerd. Superfundamenteel, maar misschien lastig voor het brede publiek."

Ooit heel bruikbaar

Heel tastbare producten op basis van topologische verschijnselen zijn er nog niet, zegt Hans Mooij, die de theorieën van Thouless en Kosterlitz experimenteel toepaste. "Het is meer dat ze het denken over vaste stoffen en stromen hebben opengebroken. Daardoor zie je op allerlei terreinen nieuwe dingen ontstaan. Waarvan er misschien ooit een heel bruikbaar wordt."

Meer over

Nu belangrijker dan ooit: steun kwaliteitsjournalistiek.

Neem een abonnement op De Morgen


Op alle artikelen, foto's en video's op demorgen.be rust auteursrecht. Deeplinken kan, maar dan zonder dat onze content in een nieuw frame op uw website verschijnt. Graag enkel de titel van onze website en de titel van het artikel vermelden in de link. Indien u teksten, foto's of video's op een andere manier wenst over te nemen, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234